中國(guó)集群通信網(wǎng)
自適應(yīng)無(wú)線電提高無(wú)線連接的頻譜利用效率
現(xiàn)在的無(wú)線通信依賴大量的獨(dú)立設(shè)備，每種設(shè)備都有自己的協(xié)議并在一個(gè)固定的頻段上工作。因?yàn)檫@些設(shè)備彼此不能通信，所以它們一起創(chuàng)造的無(wú)線環(huán)境工作效率非常低。此外，每種設(shè)備的發(fā)射和接收都有可能對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生干擾，尤其是當(dāng)高功率發(fā)射器與高靈敏度接收器同時(shí)工作的時(shí)候。
如今，人們可能隨身帶著一個(gè)以上的手機(jī)、Wi-Fi卡、裝有網(wǎng)絡(luò)適配器(NIC)的筆記本電腦、支持藍(lán)牙的PDA，并且在汽車上安裝GPS設(shè)備。但最終人們將希望把所有通信裝置集成到一個(gè)智能設(shè)備中。
自適應(yīng)無(wú)線電利用一個(gè)設(shè)備，以適當(dāng)?shù)膮f(xié)議與工作在這些頻帶范圍內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行通信。當(dāng)設(shè)備開始通信時(shí)，自適應(yīng)無(wú)線電感測(cè)其環(huán)境，并選擇最好的可用頻帶。在發(fā)射和接收期間，它也許會(huì)幾次改變協(xié)議和頻帶以確保可靠的高速連接。在充分實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)想的系統(tǒng)中，支付這些業(yè)務(wù)的費(fèi)用可以集中到每個(gè)月的賬單中，并且客戶不再需要關(guān)心哪個(gè)協(xié)議或技術(shù)在處理他們的無(wú)線通信。
英特爾公司一直致力于開發(fā)為實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)通信所必需的硬件和軟件構(gòu)建模塊，目標(biāo)是能用來(lái)構(gòu)建自適應(yīng)智能設(shè)備的廉價(jià)的硅元件和軟件模塊。如今已經(jīng)開發(fā)出許多創(chuàng)新技術(shù)，但實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)想仍存在一些障礙。
頻譜分配方式
自適應(yīng)無(wú)線電面臨的最大障礙是政策問(wèn)題，而不是技術(shù)挑戰(zhàn)。對(duì)實(shí)現(xiàn)交叉技術(shù)來(lái)說(shuō)，分配給大規(guī)模高速無(wú)線通信使用的頻譜資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這個(gè)問(wèn)題很大程度上歸因于一個(gè)為時(shí)甚久的政策，即把固定的頻帶分配給專用通信。
例如，分配給電視頻道的固定頻帶只能讓受讓者使用。當(dāng)受讓者不使用時(shí)，該頻道帶寬就處于空閑狀態(tài)，而不允許其它設(shè)備使用。同樣，在特定區(qū)域內(nèi)沒(méi)有被分配的電視頻道頻帶也不能被其它設(shè)備使用，甚至不能被同一區(qū)域的其它電視廣播設(shè)備使用，因此這些頻道總處于未使用狀態(tài)。此外，在頻道之間還存在未用的頻譜。存在大量的未用帶寬區(qū)的原因是各個(gè)電視廣播設(shè)備的發(fā)射功率很高，并且可能相互干擾。在某些環(huán)境下，除非在各個(gè)發(fā)射頻道之間有一個(gè)很寬的頻譜間隔，電視調(diào)諧器才可能清晰地接收廣播信號(hào)。在UHF頻帶上，這個(gè)頻譜間隔包括許多電視頻道，被稱為“禁用頻道”。
頻譜分配方式可能從現(xiàn)有的固定帶寬分配發(fā)展為基于某種規(guī)則的分配方式。多個(gè)用戶可以訪問(wèn)未被占用的帶寬，而不會(huì)干擾主用戶(從原理上講)。這種被稱為“覆蓋(overlay)方法”的解決方案，在現(xiàn)有已分配的主用戶帶寬上疊加一個(gè)共享的次級(jí)通信頻道。這種共享是在自愿基礎(chǔ)上通過(guò)協(xié)商而獲得的，可以在使用前協(xié)商，或使用過(guò)程中協(xié)商。其中一個(gè)例子就是公共安全機(jī)構(gòu)使用的頻帶和電視頻帶之間發(fā)生的共享。此外，低功率設(shè)備可以在與電視廣播站附近工作而不會(huì)產(chǎn)生有害干擾。
第二個(gè)解決方法是讓目前正在使用的已分配帶寬起到雙重作用。在這種方法中，低功率的發(fā)射信號(hào)存在其它設(shè)備所用的同一頻譜上，比如Wi-Fi和無(wú)繩電話。這些發(fā)射信號(hào)只用于家庭或小辦公室內(nèi)的短距離通信。它們的帶寬很高(高達(dá)幾千兆赫)，因此在給定的頻帶內(nèi)的功率密度很低。當(dāng)這些發(fā)射信號(hào)與相同頻譜上的其它信號(hào)重疊時(shí)，它們對(duì)于其它設(shè)備來(lái)說(shuō)是噪音。利用濾波技術(shù)，設(shè)備可以過(guò)濾掉這些不想要的發(fā)射信號(hào)，以免發(fā)生沖突。
需要更多帶寬的直接原因是自適應(yīng)通信的特性。考慮到當(dāng)蜂窩系統(tǒng)接收到的呼叫遠(yuǎn)多于它能處理的呼叫時(shí)，新的呼叫將被拒絕，因此拒絕訪問(wèn)可節(jié)省帶寬。在自適應(yīng)無(wú)線電有可能切換到其它頻道的地方，這些帶寬將被使用，使通信得以進(jìn)行。
需要額外帶寬的另一個(gè)原因是需要隨時(shí)可用的、可靠的高速通信。當(dāng)然，也會(huì)出現(xiàn)新的應(yīng)用需要使用這個(gè)帶寬。例如，人們很快將需要把視頻流和音頻流無(wú)線地傳送到遍布各房間的娛樂(lè)中心和電視機(jī)中。立體聲音響和話筒之間的有線連接將成為歷史，計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的連線以及計(jì)算設(shè)備之間的連線也將被淘汰。每個(gè)取而代之的無(wú)線連接都將消耗頻譜帶寬。
圖1：專用邏輯、粗�？芍匦屡渲眠壿嫼虳SP/FPGA邏輯在靈活性和能源效率之間的折衷
對(duì)自適應(yīng)無(wú)線電的要求
自適應(yīng)無(wú)線電需要識(shí)別它們所處的環(huán)境，它們必須能夠探測(cè)和識(shí)別可用的頻帶范圍。隨后，它們必須檢測(cè)這些頻道，判斷干擾、噪音和其它因素是否會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量。它們還必須識(shí)別已獲得授權(quán)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，并迅速與之連接，進(jìn)而通過(guò)協(xié)商獲取所需的數(shù)據(jù)吞吐量。
在探測(cè)到這些信息之后，自適應(yīng)無(wú)線電必須能夠分析這些頻道，智能地選擇最佳頻道，并確定將使用的協(xié)議和調(diào)制機(jī)制。最后，設(shè)備應(yīng)自行進(jìn)行重新配置，以便在適當(dāng)?shù)念l帶上使用所選的協(xié)議和調(diào)制技術(shù)。
一旦通信建立起來(lái)，自適應(yīng)無(wú)線電必須連續(xù)地監(jiān)測(cè)該頻道以探測(cè)信號(hào)質(zhì)量是否明顯下降，或者發(fā)現(xiàn)更好的可用頻道。如果探測(cè)到這兩種情況中的任何一種，該自適應(yīng)無(wú)線電必須無(wú)縫地切換到新的頻帶和協(xié)議。其結(jié)果是，自適應(yīng)無(wú)線電必須在搜索中把握機(jī)會(huì)，并迅速地重新配置以便充分利用更好頻道的優(yōu)勢(shì)。
在各個(gè)頻帶和各個(gè)協(xié)議之間無(wú)縫切換的能力，還意味著自適應(yīng)無(wú)線電必須能夠同步配置和連接到多個(gè)無(wú)線電上。因此，自適應(yīng)無(wú)線電有時(shí)被稱為認(rèn)知、可重新配置無(wú)線電。
大部分聯(lián)網(wǎng)器件(如NIC和Wi-Fi器件)被構(gòu)建用來(lái)滿足一個(gè)明確的、定義范圍很窄的需求，即以盡可能低的成本利用一種協(xié)議在一個(gè)頻道上實(shí)現(xiàn)通信。部分自適應(yīng)技術(shù)已被用于無(wú)線連接，例如為通信確定最佳數(shù)據(jù)率，盡管不存在協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)之間的切換。這些靈活性較差的器件一般采用專用硬件。
但通過(guò)使用DSP和ASIC，可以獲得一些靈活性。DSP處理信號(hào)并把一些協(xié)議處理算法卸載到ASIC中，其它一些設(shè)計(jì)則采用與加速器緊密結(jié)合的DSP。然而，DSP需要大量的功率，而且這種類型的無(wú)線電或許還需要多個(gè)DSP。前面提到的所有器件均偏愛(ài)一種簡(jiǎn)單的天線-PHY-MAC硬件架構(gòu)，該架構(gòu)也已成熟且能很好地被理解。
用一個(gè)可重新配置的處理器來(lái)處理必要協(xié)議的軟件解決方案，尚未被看成是一個(gè)可行的替代方案。這種處理器不具備基本的處理能力，或者說(shuō)它在處理一個(gè)正在工作的通信協(xié)議時(shí)無(wú)法迅速對(duì)自身進(jìn)行重新配置。但隨著IC依據(jù)摩爾定律不斷發(fā)展，可重新配置處理器實(shí)時(shí)執(zhí)行復(fù)雜算法的能力已經(jīng)大大提升。這些自適應(yīng)無(wú)線電將提高頻譜的利用效率，因?yàn)樗鼈兡芨玫乩梦幢徽加玫念l譜，并可以隨時(shí)間、空間和頻帶的變化確定最佳頻譜。這將給用戶帶來(lái)更好的通信質(zhì)量。
圖2：可重新配置的PE網(wǎng)構(gòu)成自適應(yīng)無(wú)線電的核心
可重新配置的通信內(nèi)核
自適應(yīng)無(wú)線電的硅構(gòu)建模塊的研究包括原型無(wú)線電，它由一組不同種類的處理單元(PE)組成，在這些單元之間有多條可路由的通路。許多研究人員選擇具有很大靈活性的同類陣列，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處都采用算術(shù)邏輯單元(ALU)和處理器。
這些陣列通常要忍受ALU和處理器每個(gè)時(shí)鐘周期的都要處理解碼和中繼指令要求。由于其通用性和靈活性，它們需要相當(dāng)數(shù)量的存儲(chǔ)器和時(shí)鐘周期來(lái)正確計(jì)算一個(gè)特定功能。它們?cè)诔叽绾凸β史矫娴某杀颈葘Ｓ眠壿嫺邘讉�(gè)數(shù)量級(jí)(見圖1)。專用邏輯只處理一個(gè)協(xié)議，但粗粒(coarse-grain)可重新配置邏輯和DSP/FPGA邏輯可以支持多個(gè)協(xié)議。當(dāng)然，兩者差別在于DSP/FPGA邏輯可以處理任何事務(wù)，但這種極大的靈活性也帶來(lái)巨大的功率消耗。
可重新配置通信內(nèi)核(RCC)是經(jīng)過(guò)廣泛考察多種無(wú)線協(xié)議，并從中識(shí)別類似的、計(jì)算負(fù)擔(dān)繁重的處理芯核后而開發(fā)出來(lái)的。隨后，具有比FPGA結(jié)構(gòu)粗得多的專用可重新配置加速器被設(shè)計(jì)出來(lái)以執(zhí)行這些功能。從最優(yōu)角度看，這些功能只被重新配置一次，目的是避免對(duì)將要執(zhí)行的每個(gè)功能進(jìn)行一個(gè)時(shí)鐘周期接一個(gè)時(shí)鐘周期的重新配置，而且數(shù)據(jù)是從這些PE“流”進(jìn)和“流”出的。處理在空間和時(shí)間兩維上進(jìn)行，而且有相當(dāng)一部分處理在空間上是并行執(zhí)行的。
專用硬件處理(空間上完全并行)之間盡可能多的處理相似性被利用起來(lái)，而時(shí)分多址技術(shù)在頻帶達(dá)到半導(dǎo)體工藝允許的程度時(shí)才被采用。因此，處理頻帶并沒(méi)有與多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器速率綁定在一起，正如專用硬件那樣。這樣做的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可節(jié)省面積，從而減輕可重新配置性帶來(lái)的面積增加。諸如RCC這樣的架構(gòu)具有接近專用硬件的功耗/尺寸的特性，同時(shí)又能保持足夠的可重新配置性，以支持大部分無(wú)線協(xié)議。
例如，這些PE是類似于基于濾波器微碼的加速器(filter-microcoded accelerator)、外加接口元件的前向誤差校正(FEC)加速器，以及控制處理元件的元件。通過(guò)簡(jiǎn)單地控制數(shù)據(jù)包在不同PE之間的路由，并對(duì)PE進(jìn)行重新配置，該無(wú)線電可以針對(duì)多種協(xié)議自身進(jìn)行重新配置。
與多個(gè)專用內(nèi)核的替代方案和其它軟件定義無(wú)線電方法相比，這種可重新配置的方法可節(jié)省功率和尺寸。此外，可重新配置法具有更易于編程的決定性優(yōu)勢(shì)，以及更好的可移植性和元件可擴(kuò)展性，以便于其它平臺(tái)和未來(lái)的協(xié)議使用現(xiàn)有的工具�？蓴U(kuò)展性是通過(guò)“構(gòu)建模塊”的網(wǎng)格連接來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這使得在“新元件”和與其相關(guān)的通信基礎(chǔ)設(shè)施(比如路由節(jié)點(diǎn)等)之間建立連接成為可能，類似于在一個(gè)小區(qū)內(nèi)修建更多的房子時(shí)加修的新道路(見圖2)。這些新“道路”或互連基礎(chǔ)設(shè)施不會(huì)影響現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。這種架構(gòu)建立在這個(gè)事實(shí)上：對(duì)于通信物理層(PHY)應(yīng)用，操作是高度管線化的，而且在大部分時(shí)候，它們需要的只是同最近的相鄰處理單元進(jìn)行通信。如果在非常大的處理單元網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生互連阻塞，也很容易增加一個(gè)選擇便對(duì)該互連架構(gòu)增加一個(gè)簡(jiǎn)單的層次。
繼續(xù)進(jìn)行的研究正推動(dòng)自適應(yīng)無(wú)線電單元進(jìn)一步元件化，目標(biāo)就是讓它們足夠有效、足夠便宜，以成為家庭、工作場(chǎng)所以及路途中持續(xù)、高質(zhì)量無(wú)線通信的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。然而，為讓這個(gè)設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)，還將需要修改頻譜分配政策，讓所有可能的帶寬均可用于持續(xù)通信。表中列出了自適應(yīng)無(wú)線電設(shè)計(jì)指南。
技術(shù)的進(jìn)步使更高效的頻譜使用率成為可能，并影響著頻譜分配政策的改革。對(duì)認(rèn)知、可重新配置無(wú)線電研究的現(xiàn)有成果將允許無(wú)處不在的無(wú)線通信跨越多個(gè)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)和頻譜。
(責(zé)任編輯：李俊勇)